本發(fā)明涉及誤差測試領(lǐng)域，具體是一種基于機(jī)器視覺的主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度測試方法。

背景技術(shù)：

精密回轉(zhuǎn)主軸是精密加工機(jī)床和測試設(shè)備的關(guān)鍵部件。隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展，人們對測量儀器的制造精度要求越來越高，尤其是高精密回轉(zhuǎn)體部件，這就使得提高軸系的回轉(zhuǎn)精度以滿足極限狀態(tài)下的零件加工要求和確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的課題。此外，由于精密軸系組成部件本身制造也處于極限精度狀態(tài)下，單純僅靠提高軸系部件的加工精度來保證是難奏效的。精密軸系，特別是靜壓氣浮軸系的回轉(zhuǎn)誤差在一定的工作條件下是較為恒定的系統(tǒng)誤差，這就使得精密軸系的回轉(zhuǎn)誤差納米級精度檢測問題，成為確保實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)誤差分離與補(bǔ)償、提高軸系回轉(zhuǎn)精度的關(guān)鍵。

在國內(nèi)，近年來也開展了多種回轉(zhuǎn)誤差測量方法的研究。如國防科大黃長征采用兩點(diǎn)法建立的基于雙測頭的車床主軸回轉(zhuǎn)誤差測試系統(tǒng)，兩個傳感器在圓周方向相隔180°對稱安裝固定，車床主軸回轉(zhuǎn)時傳感器不動且拾得信號，然后通過消除偏心措施和誤差分離技術(shù)求得主軸的回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動，且能求得測試軸的圓度誤差；哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬等采用多重多步法識別并分離標(biāo)準(zhǔn)器的圓輪廓誤差和主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差，主要解決了諧波抑制問題，以消除原理誤差，同時解決誤差分離過程的最簡化問題，以減小或消除機(jī)械、電氣漂移和外界干擾的影響；上海交大李自軍等采用二次相移三點(diǎn)法在線檢測主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差，采用間隔不等的三個傳感器測頭獲得測量數(shù)據(jù)，并按二次相移原則重組數(shù)據(jù)，從而分離出回轉(zhuǎn)誤差；中國科技大學(xué)王衛(wèi)東等利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立了一套主軸回轉(zhuǎn)精度的CCD 測量系統(tǒng)，采用光學(xué)CCD 檢測安裝在主軸上的光源位置，進(jìn)而獲取主軸回轉(zhuǎn)時的運(yùn)動誤差量，對數(shù)據(jù)處理和誤差評定進(jìn)行了探討。

概括說來，目前的主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量方法主要有靜態(tài)測量法、動態(tài)多測頭法、多次定位法及光學(xué)測量方法等。其中，靜態(tài)測量法是一種較為原始的測量方法，它采用傳感器在主軸手動慢速回轉(zhuǎn)下測量標(biāo)準(zhǔn)圓輪廓，因而測量精度無法進(jìn)一步提高。動態(tài)多測頭法采用兩個或兩個以上的精密測頭對同一圓輪廓同時測量，測量效率高，適合在線測量；然而由于多測頭的偏置及傳感器特性的一致性限制，在高精度的應(yīng)用場合應(yīng)用不如多次定位法廣泛。動態(tài)多次定位的實(shí)現(xiàn)方法有多種，如兩步法、反轉(zhuǎn)法、多步法等等，此方法有易于實(shí)現(xiàn)，能夠達(dá)到較高的回轉(zhuǎn)誤差分離精度等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于（多測頭法也存在類似問題）存在由諧波抑制問題帶來的方法誤差，需要進(jìn)一步的測量數(shù)據(jù)的分析處理與重建；光學(xué)測量方法可實(shí)現(xiàn)不借助標(biāo)準(zhǔn)器（球）且非接觸的測量方式，使用CCD 檢測安裝在主軸上的光源位置，進(jìn)而獲取主軸回轉(zhuǎn)時的跳動信息，然而由于光學(xué)衍射等影響，此方法無法實(shí)現(xiàn)納米級的橫向測量分辨率，因此也就無法滿足納米級精度的回轉(zhuǎn)誤差檢測問題。可以看出，精密主軸的回轉(zhuǎn)精度水平欲達(dá)到納米量級檢測還存在一些重要的理論和關(guān)鍵技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于解決傳統(tǒng)精密主軸回轉(zhuǎn)誤差測量方法需要昂貴的復(fù)雜測試系統(tǒng)及測試過程問題，提供一種基于機(jī)器視覺的主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度測試方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于機(jī)器視覺的主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度測試方法，具體步驟如下：

（1）將光柵樣品按要求安裝在待測精密主軸上，精確調(diào)整光柵樣品在待測精密主軸上的位置，使光柵樣品在待測精密主軸回轉(zhuǎn)中心附近；

（2）調(diào)節(jié)相機(jī)相對于光柵樣品的位置，使得相機(jī)測量范圍覆蓋到光柵樣品的基圓上；

（3）控制系統(tǒng)控制待測精密主軸一直轉(zhuǎn)動，用相機(jī)采集光柵樣品上的基圓圖像照片，并依次采集待測精密主軸在完整圓周位置上光柵樣品的圓弧照片；

（4）圖像分析處理系統(tǒng)將所獲得的若干光柵樣品刻度的基圓圖像照片進(jìn)行分析，并將分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，即可得到待測精密主軸的回轉(zhuǎn)誤差數(shù)據(jù)，并進(jìn)行誤差評價。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述相機(jī)采用CCD相機(jī)，以采集光柵基圓圖像。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述相機(jī)測量范圍覆蓋或部分覆蓋在到光柵樣品的基圓上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過使用相機(jī)，對隨精密主軸回轉(zhuǎn)的樣品刻度進(jìn)行測量及圖像處理，來實(shí)現(xiàn)精密主軸回轉(zhuǎn)誤差數(shù)據(jù)的綜合測量，測量方法簡單，不需要復(fù)雜的測試系統(tǒng)及測試過程，則可實(shí)現(xiàn)主軸回轉(zhuǎn)誤差檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的測量原理示意圖。

圖2是圖1中的測量部分俯視示意圖。

圖3是本發(fā)明方法的基圓圖像采集示意圖。

圖4是基圓圖像處理方法的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參閱圖1和圖2，本發(fā)明實(shí)施例中，一種基于機(jī)器視覺的主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度測試步驟如下：

（1）將光柵樣品2安裝在待測精密主軸3上，調(diào)整光柵樣品的位置，使其在待測精密主軸3的回轉(zhuǎn)中心附近；

（2）調(diào)解相機(jī)1相對于光柵樣品2的位置，使得相機(jī)1測量范圍覆蓋到光柵樣品2的基圓7上；

（3）控制系統(tǒng)5控制待測精密主軸3一直轉(zhuǎn)動，用相機(jī)1采集基圓7圖像照片（在一個完整的圓周上均勻取若干張照片），依次采集待測精密主軸3在完整圓周位置上光柵樣品2的圓弧照片，這些圓弧照片實(shí)際上是光柵樣品2的同一區(qū)域，只不過隨著待測精密主軸3的旋轉(zhuǎn)這些外貌在位置上有所不同，但都包含了待測精密主軸3的回轉(zhuǎn)誤差信息；

（4）圖像分析處理系統(tǒng)6將所獲得的若干樣品刻度基圓圖像照片進(jìn)行分析，即可得到待測精密主軸3的回轉(zhuǎn)誤差數(shù)據(jù)，并進(jìn)行誤差評價?；剞D(zhuǎn)誤差的測量精度和測量誤差項(xiàng)主要取決于相機(jī)的測量精度和能力和樣品的刻度。

本發(fā)明方法也是保證獲得高精密精度主軸回轉(zhuǎn)誤差的關(guān)鍵之一。本發(fā)明的圖像處理系統(tǒng)5的具體實(shí)施方式是基于最小二乘圓算法來進(jìn)行計(jì)算的。圓度誤差評定的最小二乘圓法通過工件顯示輪廓上的各點(diǎn)到該圓周的距離的平方和為最小圓以該圓作為基準(zhǔn)圓，作兩個同心圓包容實(shí)際被測輪廓，該輪廓上至少一個測點(diǎn)與內(nèi)圓接觸，另一個測點(diǎn)與外圓接觸。以這兩個圓的半徑差作為圓度誤差值，如圖4所示，有

其中，R為最小二乘圓半徑， R_i為實(shí)際被測輪廓上個點(diǎn)到最小二乘圓心的距離，f_ts為圓度誤差值；R_max、R_min分別為實(shí)際被測輪廓上各點(diǎn)到最小二乘圓心的距離中的最大值和最小值，ΔR_min、ΔR_max 分別為實(shí)際輪廓上各點(diǎn)到最小二乘圓的距離。

并假設(shè)（1）測點(diǎn)對坐標(biāo)原點(diǎn)等間隔分布；（2）偏心距遠(yuǎn)小于圓的半徑；（3）各點(diǎn)的極徑偏差遠(yuǎn)小于圓的半徑。O是坐標(biāo)原點(diǎn)，c（a，b）是圓心，P_i（x_i，y_i）是以O(shè)為中心等間隔分布的測量點(diǎn)，R為最小二乘圓直徑，c為偏心距，α為偏心的角度，如圖3所示。則有

其中，e_i為各點(diǎn)相對于最小二乘圓心的極徑偏差。

根據(jù)假設(shè)條件c＜＜R，則：

則各點(diǎn)的極徑偏差為：

由最小二乘圓極徑偏差的平方和最小，有：

此時滿足：

簡化可得最小二乘圓心和半徑分別為：

其中，N為測點(diǎn)數(shù)目，i為測點(diǎn)序號，R為最小二乘圓半徑，r_i為實(shí)際輪廓上各點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離。

實(shí)際輪廓上各點(diǎn)到最小二乘圓的距離為：

圓度誤差為：

這里，ΔR_min、ΔR_max分別為實(shí)際輪廓上各點(diǎn)到最小二乘圓距離。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。